基于RS和GIS的黃河口海岸線演變及土地利用研究

岳 輝，劉 英

(西安科技大學 測繪科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054)

基于RS和GIS的黃河口海岸線演變及土地利用研究

岳 輝，劉 英

(西安科技大學 測繪科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054)

基于RS和GIS技術(shù)，利用黃河口1977—2017年的Landsat MSS/TM/OLI影像數(shù)據(jù)，采用歸一化差值水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index，NDWI)、大津算法(OTSU)以及最大似然分類和目視解譯等方法分別提取6個不同時期的海岸線和土地利用類型，分析海岸線演變和不同土地利用類型的動態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明：40年來黃河口海岸線總體呈遞增趨勢，從1977年的253.44 km增加到2017年的594.16 km，且時間和空間的變化顯著，不同時間段的不同海岸線地段呈現(xiàn)不同的特征，黃河口海岸線變化主要受黃河流路的改變、海水侵蝕、人類活動等影響，入?？诹髀犯淖儗０毒€的影響尤為明顯；時間上，黃河三角洲的土地利用變化表現(xiàn)為自然類型轉(zhuǎn)向人工類型，水體和灘涂等自然類型持續(xù)減少，鹽田和養(yǎng)殖池等人工類型逐漸增多，鹽田面積從74.97 km2增長到298.1 km2，養(yǎng)殖池從21.2 km2增加到761.7 km2；空間上，黃河口整體呈現(xiàn)向海邊推進的趨勢。

海岸線;黃河口;變遷分析;RS;GIS;土地利用

海岸線是水陸的分界線，與人類的生活和生產(chǎn)息息相關(guān)，黃河歷史上多次改道，使得黃河口的海岸陸地受海洋的潮汐動力影響十分強烈，廢棄入?？诎毒€受侵蝕后退，新入海口河道延伸, 使得黃河三角洲不斷向渤海淤造新的陸地[1-2]。傳統(tǒng)獲取海岸線變化的方法費時費力，隨著遙感技術(shù)的日新月異，遙感技術(shù)獨有的覆蓋面廣、多時相性、快速更新性的優(yōu)點，使得它能夠準確及時地監(jiān)測海岸線的動態(tài)變化[3-4]。黃河口海岸帶是生態(tài)環(huán)境脆弱的地帶，海岸線和灘涂的侵蝕和淤積的明顯程度通常是由于河流沉積物量的劇烈變化引起的，這反過來又影響到海岸線和灘涂。針對這一問題，眾多學者開展大量相關(guān)研究[5-9]。

以往研究多集中在海岸線的提取方法及其優(yōu)化上且時間多在2012年以前，對黃河口土地利用研究較少，因此本文利用1977—2017年6期Landsat MSS/TM/OLI影像數(shù)據(jù)，分析海岸線的動態(tài)變化以及黃河口周圍土地利用類型的變化，通過對黃河三角洲地區(qū)的海岸線演變和土地利用變化分析，可為黃河的開發(fā)與管理提供理論基礎(chǔ)及科學依據(jù)，保障我國的社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于山東省東營市東北部的黃河入海口，是指北起五號樁、南至宋春榮溝之間的一段海岸線。地理坐標位于E118.30°～119.30°，N 37.05°～38.20°之間。黃河三角洲年平均氣溫為11.7～12.6 ℃，年均降水量為530～630 mm，降水主要集中于5～8 月，年蒸發(fā)量為1 900～2 400 mm，年均風速約為3.1～4.6 m/s。年徑流量300億m3，正常年份期間，黃河每年攜沙造陸大約3萬畝，由于黃河攜帶的泥沙因潮流弱、搬運能力差導致泥沙大量沉積，使得黃河三角洲不斷向渤海方向延伸，平均每年海岸線向海內(nèi)推進390 m，造陸31.3 km2[10]。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 海岸線提取

影像的質(zhì)量對海岸線的提取非常重要，因此挑選出成像季相較為一致的 1977年、1984年、1991年、2000年、2009年 和2017 年6 期遙感圖像，具體軌道號和獲取日期如表1所示。首先進行影像的預處理；然后利用歸一化差值水體指數(shù)法(NDWI)和大津算法(OTSU)確定閾值并提取水體，經(jīng)過二值化后利用ArcGIS提取得到海岸線的時空變化。

表1 遙感數(shù)據(jù)參數(shù)表

2.2 土地利用變化分析

通過目視判別和考慮研究區(qū)實際情況，將研究區(qū)主要土地利用類型分成鹽田、灘涂、養(yǎng)殖池、水體、平原5種類型，其中平原、水體和灘涂較為容易分辨，而養(yǎng)殖池和鹽田需要按照解譯的標志對其進行分類，解譯的標志如表2所示。進行監(jiān)督分類，選擇最大似然法進行分類。

表2 影像解譯標志

土地利用研究借助動態(tài)度(Ldy)/綜合動態(tài)度(Lidy)、開發(fā)度(Lep)和耗減度(Lde)來分析，定量表達土地利用類型的變化程度，揭示區(qū)域土地利用變化的時間過程及空間差異。所涉及的算式如下：

1)土地利用動態(tài)度(Ldy)表示單位時間內(nèi)某種土地利用類型面積的變化程度，其算式為

(1)

2) 土地利用開發(fā)度(Lep)表示單位時間內(nèi)其他土地利用類型面積轉(zhuǎn)化為該類土地利用類型面積的總和，其算式為

(2)

3) 土地利用耗減度(Lde)表示單位時間內(nèi)該類土地利用類型面積轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型面積的總和，其算式為

(3)

4)土地利用綜合動態(tài)度(Lidy)表示在一定時間段內(nèi)土地利用變化的強度，其算式為

(4)

式中：Ua為區(qū)域某種土地利用類型a時刻的面積(hm2)；Ub為區(qū)域某種土地利用類型b時刻的面積(hm2)；T為a和b時刻的時間間隔(年)；Uai和Ubi分別是研究期初和研究期末某土地利用類型的面積(hm2)；Cab是指從a時刻到b時刻某種土地利用類型被消耗的面積(hm2)；Dab是從a時刻到b時刻新開發(fā)的某類型土地利用的面積(hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 海岸線長度變化

由圖 1可以看出，近40年來，黃河口海岸線長度發(fā)生較為明顯的變化，從1977年的253.44 km增加到2017年的594.16 km，黃河口海岸線長度整體呈現(xiàn)增加的趨勢。在這40年期間，黃河口的流向也發(fā)生了諸多變化，也是導致海岸線長度變化的一個原因。由圖2可知，海岸線的增長速度在這40年期間，可以按照海岸線的增長速度，可以將其分為3個階段：1977—1991 年為慢速增長階段，增長率為5.27 km/a；1992—2000年為緩慢增長階段，增長率為2.34 km/a；2001—2017年為快速增長階段，增長率為15.51 km/a。

圖1 海岸線長度變化圖

圖2 海岸線增長速率圖

3.2 海陸交替過程分析

由圖3可知，自1977年至今，黃河入?？诹髀钒l(fā)生2次小的變化。1976年以前，黃河入海的分流河道統(tǒng)稱為刁口流路或刁口河道，河水北流入海。1976年以后，黃河改道清水溝入海，刁口流路廢棄，刁口河口海岸線蝕退嚴重， 其中1977—1984年汛期黃河入海流路處于不穩(wěn)定狀態(tài)，分流河道及入?？诘奈恢冒l(fā)生過多次小的變遷，穩(wěn)定后黃河行水清水溝流路。1996年8月，黃河經(jīng)人工改道，由清 8汊斷面處向東北方向入海，而東部侵蝕依舊。2007年8月，黃河在河門處改行北汊道生成現(xiàn)行河道，使得黃河口整體向東北方向發(fā)育，從而形成現(xiàn)在的格局[11-12]。

黃河口海岸線的位置在近40年發(fā)生了較大變化。尤其是在1977—1984年之間，岸線的位置變化比較明顯，主要是在北部地區(qū)，黃河入海口發(fā)生變化；中部海岸線的位置遷移也比較明顯，主要是海水向陸地轉(zhuǎn)換；在南部的海岸線部分，海岸線位置的變化不明顯，河流的走向也基本一致。

從1977—2017年海岸線變化圖(見圖4(1))中可以看出，在近40年來，海岸線段主要以海洋侵蝕作用為主，大部分海岸處于蝕退狀態(tài)。但是，由于近些年人類對于海岸線的改造，例如開挖鹽田、新建港口、發(fā)展養(yǎng)殖場等海岸帶資源的大規(guī)模開發(fā)利用，導致部分岸段的海岸線不斷向海洋方向擴張。由圖4(2)可知，近40年間北部海岸整體向內(nèi)陸蝕退，出現(xiàn)大面積的侵蝕區(qū)。中部岸段一直向渤海方向延伸，南部海岸屬于蝕退型海岸。由于黃河夾帶有大量的泥沙沉積，大部分海岸處于淤進狀態(tài)，因此，1977—2017年中部岸段以黃河泥沙淤積為主，屬于強淤進型海岸。南部岸段一直向陸地退縮，以海洋侵蝕作用為主，近40年間大部分南部海岸處于蝕退狀態(tài)，由于南部岸段是歷史上黃河部分支流從宋春榮溝入海時的堆積，黃河兩岸堤防建設(shè)已日趨完備，泥沙淤積大大減少，屬于強蝕退型海岸。

圖4 黃河口海岸線位置圖和變遷圖

圖5 黃河口海岸線土地利用圖

3.3 黃河口土地利用變化分析

黃河口1977—2017年土地利用類型面積變化情況如圖5和表3所示，自然類型的土地利用類型總面積從1977 年的6 558.14 km2減少到2017 年的5 409.1 km2，其中平原面積整體呈減少趨勢，從1977—1984年平原總面積增加了39.5 km2，之后從1984年的5 025.3 km2減少為2017年的4 532.2 km2，總共減少了493.1 km2；灘涂面積整體呈減少趨勢，具體表現(xiàn)為從1977年的1572.3 km2增加到1984年的1 657.1 km2，隨后迅速減少到2017年的876.9 km2。人工類型從1977—2017年，黃河口海岸線的人工類型增長速率比較顯著，鹽田和養(yǎng)殖池面積擴大趨勢均相當顯著，其面積分別增加304.0 km2和740.5 km2。

1977—1984年人類對黃河海岸的干擾強度整體上較小，自然演變占主導因素，表現(xiàn)為平原與灘涂的面積明顯增加，主要原因是1977 年黃河入海口從刁口河流路遷徙到清水溝流路，導致黃河入?？谔幖捌涓浇鼌^(qū)域，特別是黃河三角洲北側(cè)海岸灣到挑河岸段存在大量泥沙淤積情況，從而導致黃河口周圍堆積平原擴大。1984—2017年人類對黃河海岸的干擾強度整體上增加，表現(xiàn)為黃河口周圍地區(qū)的平原和灘涂逐步減少，而鹽田和養(yǎng)殖池面積急速增加。

表3 不同年份土地利用面積 km2

3.4 土地利用變化速度分析

六期數(shù)據(jù)分類Kappa系數(shù)均在0.8以上，均能滿足土地利用分析的精度需要。土地利用類型的變化速度用動態(tài)度、開發(fā)度和耗減度以及綜合開發(fā)度表示，如表4—表6所示。由表4可知，從1977—2017年黃河三角洲地區(qū)中，土地利用動態(tài)度最大的是養(yǎng)殖池，為13.01%，其開發(fā)度也最大，為68.85%；其次為鹽田，為11.39%，其耗減度最大，為13.10%；而動態(tài)度最低的是水體，為0.000 6%，土地利用類型綜合動態(tài)度在0～3%為極緩慢變化型，4～12%為慢速變化型，再往上就是加速變化型，通過表7中的數(shù)據(jù)可以說明各土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的綜合年變化率逐漸增加，表明人類活動的強度逐漸增強對研究區(qū)域內(nèi)土地利用變化的影響逐漸加大。

表4 1977—2017年土地利用動態(tài)度變化 %

表5 1977—2017年土地利用耗減度變化 %

表6 1977—2017年土地利用開發(fā)度變化 %

表7 1977—2017年土地利用綜合動態(tài)度變化 %

3.5 土地利用類型空間轉(zhuǎn)換

黃河三角洲海岸帶在1977—1984 年，土地利用類型轉(zhuǎn)變量最大的是灘涂與水體間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換量達到186.82 km2(見表8)；黃河三角洲灘涂和平原兩者間凈轉(zhuǎn)移量為33.41 km2，轉(zhuǎn)換方向是由灘涂向平原轉(zhuǎn)入；黃河三角洲地區(qū)平原與鹽田之間的轉(zhuǎn)換中，鹽田凈增加面積為42.44 km2，轉(zhuǎn)移方向為平原向鹽田轉(zhuǎn)移。在這段時間，流路與入海河口位置的遷移，導致三角洲北部岸段的灘涂減少，而在新入?？诤拥姥由?，泥沙大量淤積從而導致灘涂面積增加。

表8 1977—1984年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %

從1984—1991年，土地利用類型轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為平原和灘涂類型向鹽田與養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)移、灘涂和水體之間轉(zhuǎn)換(見表9)，該時期平原、灘涂多轉(zhuǎn)移為鹽田和養(yǎng)殖池。平原轉(zhuǎn)移為鹽田和養(yǎng)殖池的凈轉(zhuǎn)換量分別是194.87 km2和164 km2，灘涂向鹽田的凈轉(zhuǎn)移量是 68.38 km2；灘涂與平原兩者間的凈轉(zhuǎn)換量為24.11 km2；灘涂和水面之間的凈轉(zhuǎn)移量為 233.9 km2，轉(zhuǎn)移方向為灘涂轉(zhuǎn)移水面。這一時期黃河口北岸因入?？诟淖兌l(fā)生侵蝕后退現(xiàn)象，而中段和南段則呈向海邊擴張推進趨勢。

表9 1984—1991年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %

1991—2000年，黃河三角洲海岸帶土地利用類型轉(zhuǎn)移主要表現(xiàn)為：平原向鹽田、養(yǎng)殖池、灘涂轉(zhuǎn)換，以及灘涂向水體轉(zhuǎn)移(見表10)。水體與平原轉(zhuǎn)換量是36.4 km2，灘涂與水體二者的轉(zhuǎn)換量為95.93 km2，灘涂部分的侵蝕區(qū)域以及程度非常大；灘涂與養(yǎng)殖池的凈轉(zhuǎn)入量為152.68 km2，轉(zhuǎn)移速率為15.26 km2/a，方向均為灘涂向養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)換；平原向養(yǎng)殖池和灘涂的凈轉(zhuǎn)移量分別為142.18 km2和195.97 km2，此中黃河三角洲南岸平原主要轉(zhuǎn)移方向為鹽田，而北岸主要轉(zhuǎn)向養(yǎng)殖池和灘涂。

表10 1991—2000年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從2000—2009年，黃河三角洲海岸帶土地利用類型轉(zhuǎn)移主要表現(xiàn)為：平原向鹽田和養(yǎng)殖池、灘涂向養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)換，以及水體向灘涂轉(zhuǎn)換、鹽田向養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)換(見表11)。其中平原與鹽田、養(yǎng)殖池的轉(zhuǎn)換量分別是59.79 km2和120.75 km2，灘涂與鹽田和養(yǎng)殖池的凈轉(zhuǎn)換量分別是58.68 km2和119.63 km2，同時水體與灘涂的凈轉(zhuǎn)換量為219.54 km2，轉(zhuǎn)換方向為水體轉(zhuǎn)向灘涂，而平原和灘涂的凈轉(zhuǎn)移量為 40.24 km2，該時期平原與灘涂之間存在轉(zhuǎn)換，但是轉(zhuǎn)移量較少，說明該時期平原向灘涂轉(zhuǎn)換，整體向海推進。

表11 2000—2009年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從2009—2017年，黃河三角洲海岸帶土地利用類型轉(zhuǎn)移主要表現(xiàn)為，平原向鹽田和養(yǎng)殖池、灘涂向水體和養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)換，以及水體向灘涂轉(zhuǎn)換、鹽田向養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)換(見表12)。其中平原向鹽田與養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)換量分別是91.6 km2和156.16 km2，灘涂與水體和養(yǎng)殖池的凈轉(zhuǎn)換量分別是 113.09 km2和132.83 km2，同時水體與灘涂的凈轉(zhuǎn)換量為 287.42 km2，轉(zhuǎn)換方向為水面轉(zhuǎn)向灘涂，而平原和灘涂的凈轉(zhuǎn)移量為 60.82 km2，該時期平原大范圍向養(yǎng)殖池轉(zhuǎn)換。

表12 2009—2017年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

4 結(jié) 論

本文利用RS和GIS相結(jié)合的技術(shù)，對近40年黃河口海岸帶的海岸線進行提取，進而分析了黃河口海岸線演變過程與趨勢。隨后通過黃河三角洲海岸帶土地利用類型變化，分析土地利用類型的變遷。主要結(jié)論有：

1)黃河口海岸線在1977—2017年黃河口海岸線的長度顯著增加，總長度增加340.72 km。

2)黃河泥沙的淤積和海水侵蝕是導致海岸線變化的重要原因，廢棄入?？诎毒€受海洋侵蝕后退，新入海口河道延伸，泥沙淤積造新陸地，黃河入?？谀喜亢捅辈看蟛糠趾０短幱谖g退狀態(tài)，淤積主要發(fā)生在現(xiàn)在的黃河中路流路地段。

3)黃河三角洲海岸帶土地利用類型變化具有明顯的階段性，自然類型持續(xù)縮減，而人工類型逐漸增多，三角洲海岸帶上人工類型與自然類型，整體向海推進。

4)1977—1984年間，人類對黃河三角洲海岸的干擾強度較小，從1984開始人類活動對黃河三角洲影響逐漸加劇，表現(xiàn)為自然類型的灘涂、平原以及水體被人工類型的鹽田和養(yǎng)殖池取代，導致黃河三角洲海岸帶土地利用類型格局產(chǎn)生較大變化。

[1] 關(guān)元秀,劉高煥,王勁峰.基于GIS的黃河三角洲鹽堿地改良分區(qū)[J].地理學報,2001,56(2):198-205.

[2] 劉艷霞,黃海軍,丘仲鋒,等.基于影像間潮灘地形修正的海岸線監(jiān)測研究——以黃河三角洲為例[J].地理學報, 2012, 67(3):377-387.

[3] 沈芳,郜昂,吳建平,等.淤泥質(zhì)潮灘水邊線提取的遙感研究及DEM構(gòu)建——以長江口九段沙為例[J].測繪學報, 2008, 37(1):102-107.

[4] 朱長明,張新,駱劍承,等.基于樣本自動選擇與SVM結(jié)合的海岸線遙感自動提取[J].國土資源遙感, 2013, 25(2):69-74.

[5] 王集寧,蒙永輝, 張麗霞.近42年黃河口海岸線遙感監(jiān)測與變遷分析[J].國土資源遙感, 2016, 28(3):188-193.

[6] 白永良,劉展,厲梅.基于CA模型模擬黃河口海岸線演變[J].測繪與空間地理信息,2011, 34(2):141-143.

[7] 王李娟,牛錚,趙德剛，等.基于ETM遙感影像的海岸線提取與驗證研究[J].遙感技術(shù)與應用,2010, 25(2): 235-239.

[8] 樊彥國, 張淑芹, 侯春玲,等. 基于遙感影像提取海岸線方法的研究——以黃河三角洲地區(qū)黃河口段和刁口段海岸為例[J]. 遙感信息, 2009(4):67-70.

[9] 張建偉,趙全升,王建強.基于RS和GIS的黃河口海岸線演化研究[J].人民黃河, 2010, 32(4):10-11.

[10] 陳沈良,張國安,谷國傳. 黃河三角洲海岸強侵蝕機理及治理對策[J].水利學報, 2004, 35(7):1-6.

[11] 崔步禮,常學禮,陳雅琳,等.黃河口海岸線遙感動態(tài)監(jiān)測[J].測繪科學, 2007, 32(3):108-109.

[12] 喬學瑾.基于多光譜數(shù)據(jù)的最近50年黃河三角洲岸線自動提取[D].山東煙臺：魯東大學, 2016.

Coastline evolution and land use of Yellow River estuary based on RS and GIS

YUE Hui，LIU Ying

(College of Geomatics, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054,China)

Based on the RS and GIS techniques, the Landsat MSS/TM/OLI image data of Yellow River estuary from the year 1977 to 2017 are used in this paper. The normalized difference water index (NDWI), the Otsu algorithm (OTSU), the maximum likelihood classification and visual interpretation are used to extract six different periods of coastline and land use types. The coastline evolution and the dynamic change law of different land use types are analyzed. The result shows that: a.coastline in the Yellow River estuary shows the increasing trend in the past 40 years, which increased from 253.44 km2in 1977 to 594.15 km2in 2017. And the changes of time and space are obviously, the different time of different coastline area has different characteristics, the coastline change is mainly affected by the change of flow path, and the Yellow River effect of human activities, water erosion, estuary flow path changes to the coastline is obvious; b.in the time, the land use change in the Yellow River Delta is characterized by the natural type turning to the artificial type. The water and beaches and other natural types continue to decrease. The breeding pool and salt pan as artificial type gradually increase in which salt pan area increases from 74.97 km2to 298.1 km2, and the breeding pool increases from 21.2 km2to 761.7 km2; c.in the space, the Yellow River estuary presents a trend which propels the seashore.

coastline; Yellow River estuary; change analysis; RS; GIS; land use

2017-06-30

國家自然科學基金資助項目(41401496)；中國博士后科學基金項目(2016M592815)

岳 輝(1983-),男,講師,博士.

著錄：岳輝，劉英.基于RS和GIS的黃河口海岸線演變及土地利用研究[J].測繪工程，2018，27(2)：13-19.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.02.003

P95;TP79

A

1006-7949(2018)02-0013-07

張德福]